等截面单窍门式刚架截面的工程应用

(包头钢铁设计研究院 工程建设监理部，内蒙古 包头 014000)
摘 要：文章讨论了 在给定荷载和结构基本几何图形的前提下，使用虚功原理，对等截面单跨门式刚架 进行破坏机构的极限分析；确定截面塑性弯矩的安全适用范围和结构的重量函数后，得出最 小重量下的截面模量；调整该截面模量，拟定出门式刚架弹性分析的截面尺寸。
关键词：门式刚架；单跨；等截面；截面尺寸
中图分类号：TU328.01  文献标识码：A  文章编 号：1007—6921(2008)20—0101—03 

门式刚架的设计方法多采用弹性设计法。门式刚架是超静定结构，结构的内力计算结果与组成结构的各杆件的截面特征有关，不合适 地选取杆件截面，将在杆件强度计算中反应出杆件截面的性能不足或不经济，这些不可接受 的结果最终导致设计工作的返工。

本文讨论的是在给定荷载和结构基本几何图形的前提下，对单跨门式刚架结构进行极限分析 。分析步骤为：
①运用虚功原理，鉴别出可能的破坏机构，并确定产生机构的荷载组合；②在同一坐标系画出各破坏机构的梁、柱截面塑性弯矩函数，得出梁、柱塑性弯矩的安 全组合范围；③在同一坐标系中画出梁、柱截面的重量函数，取得最小重量下的塑性弯矩；④根据塑性模量，计算截面模量，考虑结构自重的影响和纵向支撑布置情况，对截面模 量调整，拟定出弹性计算方法所需的截面尺寸；⑤弹性方法设计。
1 门式刚架的破坏机构

根据虚功原理确定破坏荷载的方法是建立在以下前提条件下：①结构破坏时，结构的全部变形均因塑性铰的转动产生；②虚功原理适合于求这种变形情况；③破坏时，各弯矩值在结构变形过程中，均保持不变；④门式刚架的轴向力、剪力对塑性弯矩的影响很小，略去其效应；⑤门式刚架的坡度通常在1/8～1/14，构件之间的角度较小，坡梁以横梁代替。


以上铰支座刚架可以发生四种破坏形式：
1.1 梁破坏1

仅由竖向荷载的作用引起。

1.2 梁破坏2

两端的加页长度应根据在腋与梁的交点处弯矩值小于等于梁的屈服强度的条件确定，以保证 在垂直荷载作用下该处不会出现塑性铰。

在竖向荷载作用下，假设腋与梁的交点处达到塑性弯矩时，形成破坏机构。


根据虚功原理：



当内功大于外功时，结构保持稳定，梁、柱的截面尺寸满足要求。A、B、C、D四个函数共同 满足内功大于外功时，构成结构的安全组合范围。



当一条线与塑性弯矩的安全组合范围相交一点时，G₁最小，该线为最小重量线，该点值（图 中标注为“I”）为最小重量设计方案，得最小重量下的塑性弯矩M^b_p和M^c_p。
5 拟订弹性分析的截面尺寸

截面的塑性模量为：
W_p=M_p/f_y 

截面模量与塑性模量之间的关系为：
W₁=W_p/1.2

上式为计算截面模量，用于弹性分析的截面尺寸应乘以自重调整系数k_g、k_c和纵向支撑 布置调整系数k_b，即：
W=k_gk_ck_bW₁
根据式L，拟定弹性分析的截面模量尺寸。
调整系数分述如下：①自重调整系数k_g及k_c。

在结构的破坏机构分析中未考虑结构自重，故最小重量下的塑性弯矩不包含结构自重的影响 。门式刚架梁的自重占屋面重量的20%左右，对梁强度影响较对柱大，kb取为1.2，kc取为1. 1。②纵向支撑布置柱调整系数k_b。

纵向支撑布置对柱平面外强度计算非常重要，获取的计算截面模量（式K）的过程没有考虑 刚架平面外强度。

当门式刚架高度较高、没有达到需要设置双层支撑高度时，应对柱乘以调整系数k_b，k_b 取1.1。当门式刚架柱平面外计算长度适中，k_b=1.0。
6 示例
6.1 设计前提

6.1.1 三项门式刚架的几何图形如下：


6.1.2 荷载：屋面永久荷载0.5kN/m²，可变荷载0.3kN/m²，基本风压0 .5kN/m²（B 类、封闭式、中间区）。
6.1.3 选用规范：《钢结构设计规范》（GBJ17-88）、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102-98） 。
6.1.4 材料：Q235。
6.1.5 平面外计算长度


7 结论

本建议的方法，仅在给定荷载和结构基本几何图形的前提下，确定出满足使用弹性设计方法 下拟定单跨等截面门式刚架截面尺寸，计算方法简单，截面尺寸经济。
［参考文献］
［1］ Stuart S.J.Moy，钢结构与混凝土结构塑性设计法（Plastic Methods for St eel and Concrete Structures）［M］北京：中国建筑工业出版社，1986.
［2］ 轻型钢结构设计手册［S］北京：中国建筑工业出版社，2001.
［3］ 钢结构设计手册［S］北京：中国建筑工业出版社，2002.

推荐访问:截面 窍门 工程 式刚架